CN113316683A - 风力涡轮机转子叶片的等电位结合 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机转子叶片具有包括导电材料的翼梁帽，以及在翼梁帽上面延伸的避雷导体。在避雷导体与翼梁帽之间存在非导电层。等电位结合元件将避雷导体电结合到翼梁帽。非导电层是不连续的以限定间隙，并且等电位结合元件延伸穿过该间隙。

Description

风力涡轮机转子叶片的等电位结合

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机转子叶片，并且特别地涉及风力涡轮机转子叶片内的等电位结合，并且涉及制造风力涡轮机转子叶片的方法。

背景技术

风力涡轮机将风的动能转换成电能。发电机将由具有一个或多个转子叶片的转子捕获的风能转换成通常被供应给公用电网的电能。发电机与操作和优化风力涡轮机的性能所需的各种部件一起被容纳在机舱中。塔架支撑由机舱和转子提供的负载。在水平轴风力涡轮机(HAWT)中，转子叶片从中心轮毂径向向外延伸，该中心轮毂围绕大致水平对齐的纵向轴线旋转。在操作中，叶片被构造成与经过的空气流相互作用以产生升力，该升力导致转子在基本上垂直于风向的平面内旋转。

常规的转子叶片由外壳和在由外壳界定的中空空间中的一个或多个内部翼梁制成。翼梁用于将负载从旋转叶片传递到风力涡轮机的轮毂。这种负载包括由叶片的圆周运动引起的沿叶片的长度定向的拉伸和压缩负载，以及由风引起的沿叶片的厚度定向的负载，即从叶片的迎风侧到背风侧。翼梁通常可具有中空管状区段，例如大致矩形的中空管状区段，或者梁区段，例如I形梁、C形梁、H形梁、Y形梁、X形梁等，其中一个或多个剪切腹板在翼梁帽之间延伸。翼梁帽可被结合到外壳中或可附接到外壳。

翼梁帽可包括材料的拉挤纤维条。拉挤成型是类似于挤出的连续过程，其中纤维被拉动穿过液体树脂的供应装置，然后在开放腔室中被加热，在开放腔室中树脂被固化。所得固化纤维材料具有恒定的横截面，但由于该方法是连续的，因此一旦形成材料可被切割成任何任意长度。

WO2013/087078描述了一种具有细长增强结构的风力涡轮机叶片，该细长增强结构包括拉挤纤维复合条的堆叠。拉挤纤维是碳纤维，并且几乎在叶片的整个长度上从根部延伸到叶梢。

过去几年来风力涡轮机工业中的一般趋势是使风力涡轮机叶片制造得更长。叶片越长，转子越大，并且能够捕获的风能越多，从而改进了单个风力涡轮机的效率。

风力涡轮机易受雷击的影响。通常风力涡轮机包括将风力涡轮机部件电联接到地面的雷电保护系统。叶片，特别是叶片叶梢，特别容易受到雷击。因此，叶片通常包括金属箔或表面保护层(SPL)，其被结合到叶片的外表面附近的外壳中。金属箔可仅覆盖叶片外表面的一部分或基本上覆盖整个叶片外表面。另外或替代地，雷电保护系统可包括一个或多个离散的雷电接收器。叶片上的金属箔和/或雷电接收器都通过塔架电连接到地面。

尽管雷击由于其高频率而沿诸如转子叶片的结构的外表面而具有自然趋势，但是当发生可能导致叶片壳损坏的雷击时，叶片壳中导电纤维的存在可能导致不期望的放电。在导电纤维是连续的并且沿转子叶片的大部分长度延伸的情况下，尤其是对于长的叶片，这个问题可能恶化。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种风力涡轮机转子叶片翼梁帽，所述风力涡轮机转子叶片翼梁帽具有长度，并且包括：堆叠，所述堆叠包括多个第一导电材料层和至少一个中间层，其中，所述第一导电材料层均具有沿所述翼梁帽的长度的长度，其中，所述中间层被布置在相邻的所述第一导电材料层之间，并且包括第二导电材料的第一部分和不同于所述第二导电材料的第三材料的第二部分，其中，所述第二导电材料的第一部分沿所述翼梁帽的所述长度的长度比所述相邻的所述第一导电材料层中最短的第一导电材料层的长度短，并且其中，所述中间层与所述相邻的所述第一导电材料层相结合，并且所述第二导电材料电联接到所述相邻的所述第一导电材料层，以便经由所述第二导电材料等电位地结合所述相邻的所述第一导电材料层。

通过经由所述第二导电材料等电位地结合所述相邻的所述第一导电材料层，可避免来自所述翼梁帽的不期望的放电或电弧。

翼梁帽还可包括第一导电材料与中间层的交替层。

第一导电材料可包括拉挤纤维复合材料，例如碳纤维增强塑料。

第三材料可以是基本上不导电的，例如玻璃纤维材料。

第二导电材料可包括碳纤维复合材料。

第二导电材料可包括用导电纤维材料例如碳纤维粗纱、线圈或丝束缠绕的非导电纤维织物。

第二导电材料可包括纤维织物材料，该纤维织物材料包含非导电纤维和导电纤维，例如玻璃纤维和碳纤维。

第一导电材料层可具有沿翼梁帽的长度变化的长度。

第一导电材料层可具有不同的长度，使得堆叠的厚度朝向至少一个端部渐缩。

第一导电材料层中的至少一个可以在其至少一个端部被倒角。

中间层的第三材料的第二部分可邻近第一导电材料层的被倒角的端部。

中间层的第二部分可沿翼梁帽的长度位于两个间隔开的第一部分之间。

堆叠的每个第一导电材料层的纵向边缘可以彼此对齐。

根据本发明的翼梁帽可包括第一导电材料层的多个堆叠，这些堆叠在转子叶片的弦向方向上间隔开。堆叠中的每一个的中间层可以被布置在相邻的第一导电材料层之间。

本发明的另一方面提供了一种风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片包括至少一个根据第一方面的翼梁帽。

本发明的另一方面提供了一种制造风力涡轮机转子叶片翼梁帽的方法，所述方法包括：设置多个第一导电材料层，每个层具有沿所述翼梁帽的长度的长度；将中间层放置在相邻的所述第一导电材料层之间以便形成堆叠，所述中间层具有第二导电材料的第一部分和不同于第二导电材料的第三材料的第二部分，其中，所述第二导电材料的第一部分沿所述翼梁帽的所述长度的长度比所述相邻的所述第一导电材料层中最短的第一导电材料层的长度小；将所述第二导电材料电联接到所述相邻的第一导电材料层，以便经由所述第二导电材料等电位地结合所述相邻的所述第一导电材料层；以及固化所述堆叠以将所述中间层机械地结合到所述相邻的所述第一导电材料层。

将所述中间层放置在相邻的所述第一导电材料层之间的步骤还可包括使所述第一导电材料层与所述中间层交替以形成所述堆叠。

第二导电材料可包括用导电纤维材料缠绕的非导电纤维织物，并且中间层的缠绕物的导电纤维材料可以电联接到相邻的第一导电材料层。

第二导电材料可以是包含非导电纤维和导电纤维的混合织物材料，并且中间层的导电纤维可以电联接到相邻的第一导电材料层。

本发明的另一方面提供了一种风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片包括：翼梁帽，所述翼梁帽包括导电材料；避雷导体，所述避雷导体在所述翼梁帽上面延伸；至少一个非导电层，所述至少一个非导电层位于所述避雷导体与所述翼梁帽之间；以及等电位结合元件，所述等电位结合元件将所述避雷导体电结合到所述翼梁帽，其中，所述至少一个非导电层是不连续的以限定间隙，并且所述等电位结合元件延伸穿过所述间隙。

通过将避雷导体电结合到翼梁帽，翼梁帽被保持在与避雷导体相同的电势，使得在发生雷击的情况下，可避免从避雷导体到翼梁帽的不期望的放电或电弧。

翼梁帽可具有宽度，并且避雷导体可至少在翼梁帽的整个宽度上延伸。

至少一个非导电层可包括重叠区域。间隙可以被限定在不连续的至少一个非导电层的重叠部分之间。

等电位结合元件可具有附接到避雷导体并与该避雷导体电接触的端部，该端部与翼梁帽间隔开。

翼梁帽可具有最靠近至少一个非导电层的外侧和最靠近叶片的内部的内侧，并且其中，等电位结合元件附接到翼梁帽的内侧并与该内侧电接触。

翼梁帽可具有纵向边缘，并且等电位结合元件可以与翼梁帽的纵向边缘间隔开。

风力涡轮机转子叶片还可包括沿翼梁帽的纵向边缘延伸的非导电材料。非导电材料可以是芯材料。

非导电材料可以是不连续的以限定第二间隙。等电位结合元件可以延伸穿过第二间隙。

等电位结合元件可以是条或带。等电位结合元件可包括编织到织物中的导电线或纱。

所述等电位结合元件可以附接到所述避雷导体和所述翼梁帽，所述等电位结合元件在与所述避雷导体的附接点和所述翼梁帽之间限定出一路径，所述路径从所述避雷导体仅在远离所述附接点而不朝向所述附接点返回的方向上延伸到所述翼梁帽。

翼梁帽可包括导电材料层的堆叠。所述层可包括碳纤维材料，例如拉挤碳纤维复合材料。

堆叠的层可具有不同的长度，使得堆叠的厚度朝向至少一个端部渐缩。

不同长度的层可以限定一个或多个台阶，并且等电位结合元件可以附接到台阶的顶部并与台阶的顶部电接触。

堆叠的层中的至少一个可以在其至少一个端部被倒角。

等电位结合元件可以被电结合到该层的被倒角的端部。

风力涡轮机转子叶片还可包括多个等电位结合元件。每个等电位结合元件可将避雷导体电结合到翼梁帽的层的堆叠中的相应层。

所述堆叠的所述层中的至少一个可以通过多个等电位结合元件电结合到所述避雷导体，其中，所述等电位结合元件中的一个被连接成沿所述翼梁帽的长度邻近所述叶片的根端部，并且所述等电位结合元件中的另一个被连接成沿所述翼梁帽的长度邻近所述叶片的梢端部。

所述翼梁帽可包括位于所述堆叠中的所述导电材料层之间的一个或多个导电中间层，以便形成等电位结合的翼梁帽。

风力涡轮机转子叶片还可包括位于所述翼梁帽上面的至少一个覆盖层，以将所述等电位结合元件夹在所述翼梁帽和所述覆盖层之间。

避雷导体可以是雷电保护系统的金属箔。

避雷导体可位于叶片的外表面处。

风力涡轮机转子叶片还可包括纵梁，所述纵梁包括导电材料并且被定位成邻近所述转子叶片的尾缘，其中，所述纵梁电结合到所述避雷导体。

本发明的另一方面提供了一种制造风力涡轮机转子叶片的方法，所述方法包括：铺设风力涡轮机转子叶片的壳，所述壳包括避雷导体和至少一个非导电层，其中，所述至少一个非导电层是不连续的以限定间隙；铺设翼梁帽，使得所述避雷导体在所述翼梁帽上面延伸，并且所述至少一个非导电层位于所述避雷导体与所述翼梁帽之间，其中，所述翼梁帽包括导电材料；以及设置等电位结合元件，所述等电位结合元件延伸穿过所述非导电层中的所述间隙以将所述避雷导体电结合到所述翼梁帽。

所述翼梁帽可包括导电材料层的堆叠，并且所述方法还可包括研磨所述层中的一个层的表面的一部分，以及将所述等电位结合元件附接到所述层的经研磨的部分，使得所述等电位结合元件与所述翼梁帽的所述导电材料电接触。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机叶片；

图3示出了具有雷电保护特征的风力涡轮机叶片的示意性平面图；

图4示出了沿图3的A-A的横截面，其示出了外壳和翼梁结构；

图5示出了图4中的外壳、翼梁帽和剪切腹板的细节B；

图6示意性地示出了外壳的金属箔与翼梁帽之间的结合连接；

图7示意性地示出了形成翼梁帽的层的堆叠的侧视图；

图8示意性地示出了附接到翼梁帽的层的被倒角的端部的多个结合连接；

图9示意性地示出了附接到翼梁帽的层的端部处的缓台(land)的多个结合连接；

图10示意性地示出了沿图7的C-C的横截面；

图11示意性地示出了在翼梁帽的一个端部处的层的细节；

图12示意性地示出了用于翼梁帽的材料的一个示例；以及

图13示意性地示出了用于翼梁帽的材料的另一示例。

具体实施方式

在本说明书中，使用诸如前缘、尾缘、压力表面、吸力表面、厚度、翼弦和平面图的术语。虽然这些术语是本领域技术人员公知和理解的，但为了避免疑惑，下面给出定义。

术语前缘用于指当叶片在风力涡轮机转子的正常旋转方向上旋转时将位于叶片的前部的叶片的边缘。

术语尾缘用于指当叶片在风力涡轮机转子的正常旋转方向上旋转时将位于叶片的背部的风力涡轮机叶片的边缘。

叶片的翼弦是在垂直于叶片翼展方向的给定横截面中从前缘到尾缘的直线距离。

风力涡轮机叶片的压力表面(或迎风表面)是前缘和尾缘之间的表面，该压力表面在使用时具有比叶片的吸力表面更高的压力。

风力涡轮机叶片的吸力表面(或背风表面)是前缘和尾缘之间的表面，该吸力表面在使用时将具有比压力表面的更低的作用在其上的压力。

风力涡轮机叶片的厚度是垂直于叶片的翼弦测量的，并且是在垂直于叶片翼展方向的给定横截面中压力表面与吸力表面之间的最大距离。

术语翼展方向用于指从风力涡轮机叶片的根端部到叶片的梢端部的方向，或反之亦然。当风力涡轮机叶片被安装在风力涡轮机轮毂上时，翼展方向和径向方向将大致相同。

与翼展方向和弦向方向都垂直的视图被称为平面图。该视图沿叶片的厚度尺寸观察。

图1示出了风力涡轮机10，所述风力涡轮机包括安装在地基上的塔架12和设置在塔架12的顶点处的机舱14。本文所描述的风力涡轮机10是陆上风力涡轮机，使得地基嵌入地面中，但是风力涡轮机10可以是海上设施，在这种情况下，地基将由合适的海洋平台提供。

转子16经由齿轮箱操作地联接到容纳在机舱14内部的发电机(未示出)。转子16包括中心轮毂18和多个转子叶片20，所述转子叶片从中心轮毂18向外突出。应当注意，风力涡轮机10是普通类型的水平轴风力涡轮机(HAWT)，使得转子16被安装在机舱12处以围绕被限定在轮毂18的中心的基本上水平的轴线旋转。尽管图1所示的示例具有三个叶片，但是本领域技术人员应当认识到，其它数量的叶片也是可能的。

当风吹向风力涡轮机10时，叶片20产生升力，该升力使转子16旋转，这又使机舱14内的发电机产生电能。

图2示出了用于这种风力涡轮机的风力涡轮机叶片20中的一个。叶片20中的每一个具有靠近轮毂18的根端部22和远离轮毂18的梢端部24。前缘26和尾缘28在根端部22和梢端部24之间延伸，并且叶片20中的每一个具有在叶片20的前缘和尾缘之间延伸的相应的空气动力学高压表面(即压力表面)和空气动力学低压表面(即吸力表面)。

每个叶片在根端部22附近具有基本上圆形的横截面，因为在根部附近的叶片必须具有足够的结构强度以在该截面的外侧支撑叶片并将负载传递到轮毂18中。叶片20从叶片的根端部28朝向叶片的“肩部”30移动而从圆形轮廓过渡到翼型轮廓，该肩部是叶片的最宽部分，在该处叶片具有其最大翼弦。叶片20在叶片的外侧部分中具有厚度逐渐减小的翼型轮廓，该外侧部分从肩部30延伸到梢端部24。

如图3中示意性地示出的，叶片20包括一个或多个避雷导体，所述避雷导体形成用于风力涡轮机的雷电保护系统的一部分。避雷导体可采取多种形式，例如金属箔32或叶片的外表面上的离散雷电接收器34，或与叶片的最靠近梢端部24的形状相符的实心金属叶梢36。

避雷导体中的至少一些可连接到在叶片内部延伸的线缆或“引下线(downconductor)”38。引下线38可以电连接到实心金属叶梢36、离散雷电接收器34中的每一个和金属箔32。叶片20的大部分外表面可以用金属箔32覆盖。引下线可以基本上延伸叶片的整个长度或仅延伸叶片长度的一部分。在叶片20的大部分外表面覆盖有金属箔32的情况下，引下线38可以在邻近叶片的梢端部24和邻近叶片的根端部22处连接到金属箔32，而沿叶片的覆盖有金属箔32的大部分长度没有引下线38。替代地，叶片可以在叶片表面上具有大量的离散雷电接收器，而不是具有金属箔，所述离散雷电接收器经由基本上延伸叶片的整个长度的引下线电连接。

在叶片20的根端部22处，引下线38可经由电枢装置电连接到电荷转移路线，电荷转移路线经由机舱14和塔架12连接到地电势。因此，这种雷电保护系统允许雷电从叶片安全地被引导到地电势，从而使风力涡轮机10损坏的风险最小化。

如图4所示，风力涡轮机叶片20包括外部叶片壳40，该外部叶片壳限定了中空内部空间42，其中剪切腹板44在叶片壳40的上部分和下部分之间向内延伸。叶片壳40可包括两个半壳40a、40b，所述半壳在被接合在一起(在前缘26和尾缘28处)以形成叶片20之前被单独地模制，应当理解，叶片壳40不需要形成为随后被接合在一起的两个半壳，而是可以在“一次”单个壳工艺中与剪切腹板42一起形成为整体壳结构。叶片壳40可包括层压复合材料，例如玻璃纤维和/或碳纤维。

图5示出了剪切腹板44与叶片壳40相遇的区域的细节图。如图5所示，翼梁帽46可被结合到外壳40中，或者可附接到外壳40。翼梁帽46是基本上沿叶片20的整个长度从根端部22延伸到梢端部24的细长增强结构。翼梁帽46包括导电材料，例如碳纤维。例如，翼梁帽可包括材料的拉挤纤维条，例如拉挤碳纤维复合材料或其它碳纤维增强塑料材料。

翼梁帽46可包括导电材料层的堆叠。剪切腹板44可以粘附地结合到翼梁帽46的内表面48。翼梁帽46的外表面50可以邻近叶片壳40的外表面中的避雷导体。如图5所示，避雷导体可以是金属箔32的形式，所述金属箔通过一个或多个绝缘材料层52(例如玻璃纤维增强塑料)与翼梁帽46的外表面50分开。一个或多个另外的玻璃纤维增强塑料层52可设置在金属箔32的外侧上面。这些层52共同形成叶片壳40的外蒙皮。一个或多个另外的玻璃纤维增强塑料层提供叶片壳40的内蒙皮54，在外蒙皮52和内蒙皮54之间具有芯材料56，该芯材料可以是轻质结构泡沫，但是其它芯材料例如木材，特别是轻木，以及蜂窝结构可以替代地用来提供轻质芯材料。应当理解，在剪切腹板44与叶片壳40的另一侧之间形成几乎相同的连接。

为了避免在翼梁帽46的导电材料和金属箔32或其它避雷导体之间产生电弧的危险，使用等电位结合元件58或“短路”来将避雷导体等电位地结合到翼梁帽46的导电材料。图6示意性地示出了在翼梁帽46附近的叶片壳铺设的分解图。避雷导体32和翼梁帽46之间的一个或多个非导电层52是不连续的，以限定间隙60。等电位结合元件58延伸穿过一个或多个间隙60。这样，等电位结合元件58限定了避雷导体32和翼梁帽46之间的路径。通过将避雷导体32电结合到翼梁帽46，翼梁帽46可被保持与避雷导体处于相同的电势，从而在发生雷击的情况下，可避免从避雷导体到翼梁帽的不希望的放电或电弧。

等电位结合元件58可包括含有导电材料的条或带。例如，等电位结合元件58可包括导电材料的股线，例如金属线，其被编织到织物材料中，例如玻璃纤维织物。在一个示例中，等电位结合元件58的导电材料可以是例如涂覆有锡的铜。可以选择材料以避免与避雷导体32或翼梁帽46的导电材料的任何电化学反应。金属箔避雷导体通常是金属网或例如由铝制成的延展金属箔。等电位结合元件58的涂覆有锡材料的铜避免了与铝箔避雷导体32或翼梁帽46的碳材料的电化学反应。翼梁帽46和避雷导体32之间的非导电层52的玻璃纤维材料有助于避免翼梁帽的碳和金属箔避雷导体32的铝之间的电化学响应。当然，应当理解，避雷导体32可以由其它合适的材料制成，例如铜，等电位结合元件58的导电材料的选择可以根据其它材料的选择来选择。

被铺设到叶片壳的外蒙皮的层52中的条或平带形式的等电位结合元件58有助于防止等电位结合元件58中的导电金属线的疲劳。金属线可被编织到织物材料中，特别地是玻璃纤维织物，使得其在具有玻璃纤维织物层52的铺设中不是外来实体，并且将在叶片壳40的制造期间注入有树脂而没有空隙。

通过使平坦的带“步进”穿过玻璃层52，使带保持尽可能平坦。非导电层52不仅可以是不连续的，而且可以在间隙60附近重叠，以允许等电位结合元件58穿过每一层52。在存在多个非导电层52的情况下，每一层中的不连续性可以偏移以增加铺设的结构完整性，使得等电位结合元件58逐步地穿过多个非导电材料层52。在图6所示的示例中，每一层52中的不连续性在叶片的弦向方向上偏移。然而，应当理解，非导电层52中的两个或更多个可具有限定相应间隙60的相应的不连续性，所述不连续性不具有重叠并且所述间隙通常在铺设方向上对齐，使得等电位结合元件58穿过在叶片壳40的铺设或厚度方向上对齐的间隙60而前进穿过层52中的多个层。这样，等电位结合元件58可以遵循“S形”而不是从避雷导体32上的附接点62朝向翼梁帽46的阶梯式路径。

等电位结合元件58可具有附接到避雷导体32并与该避雷导体电接触的端部64，以及与第一端部相对的、附接到翼梁帽46的导电材料并与该翼梁帽46的导电材料电接触的第二端部66。等电位结合元件58的第一端部64可以与翼梁帽46间隔开。为了确保电接触，等电位结合元件58可以用粘合剂被固定到避雷导体32和翼梁帽46的导电材料，以便在叶片铺设过程期间将该等电位结合元件保持就位。替代地，可以在等电位结合元件58的每个端部64、66处将预浸补片放置在该等电位结合元件的顶部上，以在叶片铺设过程期间将等电位结合元件保持就位。

翼梁帽46具有纵向边缘68。为了防止从等电位结合元件58到翼梁帽46的纵向边缘68产生电弧，可能希望等电位结合元件58不是与翼梁帽46的纵向边缘紧邻地延伸，而是与纵向边缘间隔开。非导电材料可紧邻沿翼梁帽46的纵向边缘68延伸。在图6所示的一个示例中，非导电材料为芯材料56，但可为任何其它非导电材料。

翼梁帽46具有最靠近非导电层52的外侧70和最靠近叶片的内部的内侧72。等电位结合元件58可以附接到翼梁帽46的内侧72并与该内侧电接触，例如，如图6所示。为了从等电位结合元件58的第一端部64附接到避雷导体32的附接点62横穿到翼梁帽46的内侧72，等电位结合元件58可能需要不仅延伸穿过非导电材料层52，而且延伸穿过芯材料56，或者延伸穿过沿翼梁帽46的纵向边缘68延伸的其它非导电材料。因此，非导电材料可以是不连续的以限定第二间隙74，并且等电位结合元件58可以延伸穿过第二间隙74。如图6所示，等电位结合元件58可以逐步延伸穿过非导电材料层52并穿过芯材料56或穿过其它非导电材料。

等电位结合元件58可限定附接点62和翼梁帽46之间的路径，该路径从避雷导体32仅在远离附接点62而不朝向附接点返回的方向上延伸到翼梁帽46。也就是说，等电位结合元件不以U形自身按原路折返。这可以防止从等电位结合元件的一部分到等电位结合元件的另一部分产生电弧。

翼梁帽46可被布置成以便被等电位地结合在翼梁帽中的导电材料层之间。这可以使用被布置在层压堆叠中的相邻的含碳纤维材料层之间的金属夹层来实现。替代地，可在导电材料层之间设置其它导电材料，以便等电位地结合翼梁帽内的导电材料层中的每一个。

在图7所示的一个示例中，翼梁帽46包括堆叠，该堆叠包括多个第一导电材料层80。第一导电材料可包括拉挤纤维复合材料，例如碳纤维增强塑料。拉挤的纤维在翼梁帽46的纵向方向上定向，该纵向方向与叶片20的纵向或翼展方向对齐。

翼梁帽46可在叶片的基本上整个长度上延伸，并且具有最靠近叶片20的根端部22的第一端部82和邻近叶片的梢端部24的第二端部84。翼梁帽46在层80的堆叠方向上具有厚度，该厚度可沿翼梁帽的长度而变化。翼梁帽46的端部中的至少一个可在厚度方向上渐缩。在图7所示的示例中，翼梁帽的两个端部都是渐缩的。通过将第一导电材料层80中的每一个切割成不同长度来形成渐缩部。在第一端部82处的渐缩部可以比在第二端部84处的渐缩部更陡。通过以阶梯式方式顺序地终止层80可以产生更浅的渐缩部。层80中的每一个可具有相同的厚度，但是替代地，层80可具有不同的厚度。翼梁帽46沿叶片20的长度的变化厚度从最靠近根端部22的零增加，且穿过肩部30增加到最大，且然后朝向叶片的梢端部24减小。第一导电材料层80中的至少一个可具有被倒角的端部，并且在图7所示的示例中，层80中的每一个在该层的每个端部处具有被倒角的端部。倒角可有助于将负载传递到翼梁帽46的层80和从该层传递到叶片壳40的其它材料中。

中间层86被布置在相邻的第一导电材料层80之间。每个中间层86包括第二导电材料88的至少一个第一部分和不同于第二导电材料的第三材料90的至少一个第二部分。设置中间层86以将相邻的第一导电材料层80彼此结合。例如，在第一导电材料层80包括拉挤纤维材料的情况下，这些层80将具有相对高的纤维体积含量，并且中间层(或夹层)86可以用于确保拉挤纤维层80之间的强结合。

通过在每个中间层86中设置第二导电材料88的至少一部分，中间层86的第二导电材料88可以电联接到相邻的第一导电材料层80，以便经由第二导电材料等电位地结合相邻的第一导电材料层80。通过经由中间层86的第一部分88的第二导电材料等电位地结合相邻的第一导电材料层80，可在叶片20上发生雷击的情况下避免来自翼梁帽46的不期望的放电或电弧。

每个中间层86中的第二导电材料的一个或多个第一部分88沿翼梁帽46的长度的长度可比相邻的第一导电材料层80中最短的第一导电材料层的长度短。虽然每个中间层86可包括沿翼梁帽46的第一端部82与第二端部84之间的整个长度的导电材料，但存在与仅沿每个中间层86的长度的一部分设置第二导电材料相关联的若干优点。

首先，在每个中间层86中第二导电材料可以比第三材料更经济。例如，第二材料可以是碳纤维复合材料，第三材料可以是玻璃纤维复合材料。其次，第二导电材料可具有与第三材料不同的材料特性，并且第二导电材料可以比第三材料更不适合用于中间层86的一个或多个部分中。

例如，在第一导电材料层80的端部处的倒角下面，传递的负载可以高于远离倒角的区域中的负载。因此，有利的是，中间层86的第三材料或不同于第二材料的另一种材料用在被倒角的端部的下面。例如，在倒角下面使用的中间层86的材料可有利地在几何形状上基本均匀或具有比第二材料更低的刚度，以便在翼梁帽46的这些更高负载的区域中更好地执行。如果使用更均匀的材料，例如具有恒定厚度，则在经受特别高的负载的这些倒角下面，这可避免倒角下面的不均匀表面，否则这可导致可能不期望的高疲劳负载。

可能希望中间层86的至少一些第一部分和/或一些第二部分的长度具有标准化生产的标准长度。例如，在中间层86中的每一个中，第三材料的第二部分在第一端部82处的倒角下面都具有标准长度。在图7所示的优选示例中，每个中间层86具有两个第二导电材料的第一部分88，在两个第一部分88之间具有第三材料的第二部分90，并且在每个中间层86正上面的第一导电材料层80的被倒角的端部下面，具有最靠近第一端部82和第二端部84中的每一个的第三材料的另一个第二部分90。

中间层86的第一和/或第二部分的材料可包括非单向纤维，而导电材料层80可包括单向纤维。第一导电材料层80可具有第一厚度，中间层86可具有第二厚度。第一厚度可以比第二厚度大10倍，并且大高达30倍。

如前所述，第一导电材料层80中的至少一个可以通过等电位结合元件58电结合到避雷导体32。在金属箔避雷导体32基本上在整个叶片上延伸的情况下，如图3所示，等电位结合元件58中的第一个可以在翼梁帽的第二(叶梢)端部连接到翼梁帽46，而等电位结合元件58中的第二个将金属箔避雷导体32连接到翼梁帽46的第一(根部)端部82。

在另一示例中，金属箔避雷导体32可仅在叶片的一部分上延伸，例如从叶片的梢端部附近延伸到叶片的中跨区域。内部引下线线缆38可用在该中跨区域和叶片的根端部之间。引下线线缆38可直接连接到金属箔避雷导体32。在这种构造中，等电位结合元件58中的第一个可在翼梁帽的第二(叶梢)端部处连接到翼梁帽46，而等电位结合元件58中的第二个将金属箔避雷导体32的内侧端部连接到翼梁帽46的中跨区域。另一个等电位结合元件58可将引下线线缆38连接到翼梁帽46的第一(根部)端部82。

虽然转子叶片20中的每一个在其寿命期间可能经历几次雷击，但这些雷击中的大部分将最靠近叶片20的梢端部24，因此有利的是将翼梁帽46的第二(叶梢)端部84电结合到金属箔避雷导体32。在翼梁帽46的第一(根部)端部82处设置另一个等电位结合元件58提供了从翼梁帽46离开的电路径，以防止雷击情况下的闪络。

由于在叶片的根端部和梢端部两者处由等电位结合元件58提供的电连接，在翼梁帽46的第一端部82和第二端部84之间将存在电压降。根据叶片20的长度，尤其是根据翼梁帽46中的最长导电材料层80的长度，翼梁帽46的第一端部82和第二端部84之间的电压降的值将变化。如果该电压降低于阈值，在该阈值处可能发生从避雷导体到第一导电材料层80中的一个或多个的闪络，则仅在翼梁帽46的端部82、84处设置等电位结合元件58可能就足够了。然而，如果翼梁帽46的端部82、84之间的电压降高于阈值，则可能需要一个或多个另外的等电位结合元件58来将金属箔避雷导体32电结合到第一端部82与第二端部84之间的翼梁帽46的中间点。

等电位结合元件58可电结合到翼梁帽46中的第一导电材料层80中的至少一个的任一端部。如果等电位结合元件58直接附接到第一导电材料层80中的仅一个，则该层80应该是最外层，即在翼梁帽46的层80的堆叠的底部(最外的层)处。根据需要，可将其它等电位结合元件58直接附接到一个或多个其它第一导电材料层80。由于第一导电材料层80中的每一个通过中间层86的导电第一部分等电位地结合到其它层80中的每一个，所以可以不必设置直接附接到第一导电材料层80中的每一个的等电位结合元件58，以便优化设计。然而，当然，等电位结合元件58可以直接附接到第一导电材料层80中的每一个。

为了确保等电位结合元件58与翼梁帽46的导电材料之间的良好电接触，第一导电材料层80中的导电材料可能需要被暴露，即，使得其不覆盖有(绝缘)树脂。如上所述，第一导电材料层80的端部可被倒角，并且该倒角可用于使导电材料暴露，以提供合适的附接表面，以用于在翼梁帽46和等电位结合元件58的导电材料之间提供良好的电连接。

图8示出了一个示例，其中多个第一导电材料层80中的每一个的相应端部被倒角，并且相应的等电位结合元件58被附接并电结合到层80的被倒角的端部。等电位结合元件58与相应的第一导电材料层80的附接类型可以用在翼梁帽46的第一端部82处。等电位结合元件58附接在倒角的顶部上。在层80包括拉挤导电纤维材料的情况下，被倒角的端部将暴露导电纤维，即当等电位结合元件58附接到被倒角的端部时，导电纤维将不覆盖有(绝缘)树脂。被倒角的端部可以通过研磨或其它已知的工艺形成。

将等电位结合元件58附接到层80的被倒角的端部的一个缺点是，可能导致在被倒角的端部处的应力集中。如果这种应力集中使局部应力超过期望的阈值，那么可能期望将等电位结合元件58远离被倒角的端部而附接到层80。与图8所示的第一导电材料层80的堆叠的被倒角的端部在堆叠厚度的渐缩部中形成基本上连续的斜面的布置不同，在图9所示的布置中，第一导电材料层80的端部以阶梯式方式终止。因此，层80的被倒角的端部不形成连续的斜面，而是形成一系列斜坡，其中在斜坡之间具有缓台，其中缓台由第一导电材料层80的顶部(相对于叶片最内部)表面设置在倒角之间。

如果导电材料没有暴露在这些缓台的顶部表面处，那么当等电位结合元件58附接到缓台时，可能导致不良的电连接。例如，层80的顶部表面可以是绝缘树脂材料。因此，在等电位结合元件58的附接之前，移除材料以暴露这些缓台处的层80的导电材料是合适的。该材料移除可以通过研磨、蚀刻、或激光或化学激活、或各种其它已知工艺来完成。一旦材料已经被移除以暴露这些缓台处的导电材料，那么相应的等电位结合元件58可以在这些缓台处被附接并电结合到层80。

虽然在图8和图9中示出了三个第一导电材料层80的纯示例性堆叠，每个第一导电材料层具有附接的相应的等电位结合元件58，但是应当理解，由于上述原因，不需要将等电位结合元件58附接到第一导电材料层80中的每一个。

等电位结合元件58可粘附地结合到翼梁帽46，以在叶片制造期间保持其定位。在等电位结合元件58包括干纤维织物材料的情况下，在用树脂灌注叶片之前，可从用于附接到翼梁帽46的附接侧的相对侧穿过等电位结合元件58的织物材料引入粘合剂。作为使用粘合剂的替代，可以将粘性侧面朝下的预浸材料补片施加在等电位结合元件58的顶部上面，使得补片延伸超过等电位结合元件58的边缘并粘附到翼梁帽46，以将等电位结合元件58保持就位。期望避免在等电位结合元件58与翼梁帽46的暴露的导电材料之间以及等电位结合元件58与避雷导体32之间的空隙或非导电材料。在另一示例中，等电位结合元件58可被放置在翼梁帽46上面，然后用塑料紧固件被固定到相邻的芯材料，以在叶片制造期间保持其定位。

在将等电位结合元件58放置在翼梁帽46上之后，可以在翼梁帽46和芯材料56的顶部(相对于叶片的内侧)添加诸如玻璃纤维层54的其它层，以在叶片20的制造期间将等电位结合元件58保持就位。

根据翼梁帽46的材料的刚度和叶片20的壳40的形状的局部曲率，可能期望将翼梁帽46构造为在弦向方向上布置的两个或更多个堆叠，如图10的截面图中所示。堆叠中的每一个可以被基本上相同地构造。当将所述堆叠被铺设到叶片中时，所述堆叠可具有接触的邻近纵向边缘。在翼梁帽46包括第一导电材料层80的多于一个的堆叠的情况下，堆叠可等电位地结合在一起。这可通过重复将堆叠中的每一个的层80中的一个或多个电结合到相同避雷导体32的过程来实现，或者替代地通过在形成翼梁帽46的堆叠中的每一个的层80中的至少一个之间设置等电位结合元件58来实现。

虽然在上述示例中，等电位结合元件58附接到第一导电材料层80的顶表面或内表面，但是应该理解，等电位结合元件58可以附接到层80的下侧或最外侧。在等电位结合元件58附接到层的最外侧的情况下，表面可能仍然需要被制备以暴露层的导电材料。

图11示出了第一导电材料层8中的一个的端部的细节图，该第一导电材料层在一个端部处具有倒角，其中中间层86位于该第一导电材料层下面。在中间层86中，第二导电材料的第一部分88在层80的整个(恒定)厚度区域下面延伸，并且第三材料的第二部分90在层80的被倒角的端部下面延伸。第二部分90也可以在层80的整个厚度区域下面延伸短的距离。

在中间层86中，第二导电材料的第一部分88可以采取各种不同的形式。在第一示例中，第一部分可包括如图12所示的第二导电材料88a，该第二导电材料包括用导电纤维材料缠绕的非导电纤维织物。导电纤维材料可包括碳纤维，例如碳纤维粗纱、线圈或丝束。非导电纤维织物可以是玻璃纤维织物。在第二示例中，图13中所示的第二导电材料88b可包括纤维织物材料，该纤维织物材料包含非导电纤维和导电纤维，例如玻璃纤维和碳纤维，以形成混合织物。

在导电材料88a中，玻璃织物可以是预浸材料。在导电材料88b中，混合织物材料可以是干纤维织物。当叶片外壳40在制造期间要进行树脂灌注时，可以优选使用该干纤维材料，使得树脂也灌注到中间层86的第一部分88的混合织物中，当然，导电材料88a的织物可以替代地包括预浸材料或半预浸材料，或者导电材料88b的织物可以是用于随后树脂灌注的干纤维织物。利用预浸或半预浸材料，导电材料可以是干燥的或仅具有非常轻的树脂覆盖物，使得在中间层的导电材料与翼梁帽的导电材料之间基本上没有绝缘材料。

在叶片的制造期间，叶片壳40如上所述地被铺设。在例如玻璃纤维材料的层52、54是干纤维织物的情况下，铺设经历树脂灌注、固结和固化过程以使织物用树脂完全灌注，然后树脂固化以将叶片壳40的结构(机械地)结合在一起。在这个过程期间，一个或多个中间层86的纤维织物和/或一个或多个等电位结合元件58的纤维织物(在这些纤维织物是干纤维织物材料的情况下)也将用树脂灌注，该树脂在相同的过程中被固结和固化。

替代地，叶片壳40可包括预浸材料层52、54。在这种情况下，铺设将不需要经历树脂灌注过程，而是将经历固结和固化过程以将叶片壳40的结构(机械地)结合在一起。在这个过程中，一个或多个中间层86的纤维织物和/或一个或多个等电位结合元件58的纤维织物(在这些纤维织物也包括预浸织物材料的情况下)将在相同的过程中被固结和固化。

通过任一过程，固结可以确保中间层86的第一部分88的导电材料电联接到相邻的第一导电材料层80，并且固化机械地将中间层86结合到相邻的第一导电材料层80。

风力涡轮机叶片20被示出为单个完整的叶片，但是在其它示例中，叶片可以是“分开”或“分段”的叶片，其包括多个叶片部分，所述多个叶片部分被接合在一起以形成完整叶片。例如，风力涡轮机叶片可包括第一风力涡轮机叶片部分和第二风力涡轮机叶片部分，它们可在接头界面处被连接以形成叶片。应当理解，叶片可具有三个或更多个叶片部分，相邻叶片部分之间具有接头。

翼梁帽中的第一导电材料层的堆叠的宽度可基本上恒定，以限定堆叠的平行的纵向边缘，或者宽度可沿翼梁帽的长度变化。

风力涡轮机转子叶片还可包括邻近叶片的尾缘的尾缘纵梁或副纵梁形式的纵梁。纵梁可被结合在叶片壳40中。纵梁可沿叶片的长度从根部纵向延伸到叶梢，或者沿该长度的至少一部分纵向延伸。纵梁可以设置在叶片壳的每个半壳40a、40b中。通常，在纵梁之间没有剪切腹板延伸。如果存在剪切腹板，则剪切腹板和“纵梁”将形成副翼梁结构，在该副翼梁结构中“纵梁”形成翼梁帽。纵梁或副翼梁可包括导电材料，例如碳纤维材料。碳纤维材料可以与叶片的纵向方向单向对齐。碳纤维材料可包括类似于先前描述的翼梁帽的拉挤纤维材料。在副翼梁的纵梁或翼梁帽包括导电材料的情况下，该副翼梁可以电结合到避雷导体。电结合可类似于前述翼梁帽的电结合那样布置。

尽管上面已经参考一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应当理解，在不背离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

Claims (24)

1.一种风力涡轮机转子叶片(20)，所述风力涡轮机转子叶片包括：

翼梁帽(46)，所述翼梁帽包括导电材料；

避雷导体(32)，所述避雷导体在所述翼梁帽上面延伸；

至少一个非导电层(52)，所述至少一个非导电层位于所述避雷导体(32)与所述翼梁帽(46)之间；以及

等电位结合元件(58)，所述等电位结合元件将所述避雷导体(32)电结合到所述翼梁帽(46)，

其中，所述至少一个非导电层(52)是不连续的以限定间隙(60)，并且所述等电位结合元件(58)延伸穿过所述间隙。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)具有宽度，并且所述避雷导体(32)至少在所述翼梁帽的整个宽度上延伸。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述至少一个非导电层(52)包括重叠区域，并且所述间隙(60)被限定在不连续的所述至少一个非导电层的重叠部分之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位结合元件(58)具有附接到所述避雷导体(32)并与所述避雷导体电接触的端部，所述端部与所述翼梁帽(46)间隔开。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)具有最靠近所述至少一个非导电层(52)的外侧(70)和最靠近所述叶片的内部的内侧(72)，并且其中，所述等电位结合元件(58)附接到所述翼梁帽的所述内侧并与所述内侧电接触。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)具有纵向边缘(68)，并且其中，所述等电位结合元件(58)与所述翼梁帽的所述纵向边缘间隔开。

7.根据权利要求6所述的风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片还包括沿着所述翼梁帽(46)的所述纵向边缘(68)延伸的非导电材料(56)，优选地其中，所述非导电材料是芯材料。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述非导电材料(56)是不连续的以限定第二间隙(74)，并且所述等电位结合元件(58)延伸穿过所述第二间隙。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位结合元件(58)是条或带，优选包括编织到织物中的导电线或纱。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位结合元件(58)附接到所述避雷导体(32)和所述翼梁帽(46)，所述等电位结合元件在与所述避雷导体的附接点和所述翼梁帽之间限定出一路径，所述路径从所述避雷导体仅在远离所述附接点而不朝向所述附接点返回的方向上延伸到所述翼梁帽。

11.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)包括导电材料层(80)的堆叠，所述导电材料优选为碳纤维材料，优选为拉挤碳纤维复合材料。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述堆叠的所述层(80)具有不同的长度，使得所述堆叠的厚度朝向至少一个端部渐缩。

13.根据权利要求12所述的风力涡轮机转子叶片，其中，不同长度的所述层(80)限定一个或多个台阶，并且所述等电位结合元件(58)附接到所述台阶的顶部并与所述台阶的顶部电接触。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述堆叠的所述层(80)中的至少一个在其至少一个端部处被倒角。

15.根据权利要求14所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述等电位结合元件(58)电结合到所述层的被倒角的端部。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片还包括多个所述等电位结合元件(58)，每个等电位结合元件将所述避雷导体(32)电结合到所述翼梁帽(46)的层的所述堆叠中的相应层(80)。

17.根据权利要求16所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述堆叠的所述层(80)中的至少一个通过多个等电位结合元件(58)电结合到所述避雷导体(32)，其中，所述等电位结合元件中的一个被连接成沿着所述翼梁帽的长度邻近所述叶片的根端部，并且所述等电位结合元件中的另一个被连接成沿着所述翼梁帽的长度邻近所述叶片的梢端部。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述翼梁帽(46)包括位于所述堆叠中的所述导电材料层(80)之间的一个或多个导电中间层(86)，以便形成等电位结合的翼梁帽。

19.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片还包括位于所述翼梁帽(46)上面的至少一个覆盖层，以将所述等电位结合元件(58)夹在所述翼梁帽和所述覆盖层之间。

20.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述避雷导体(32)是雷电保护系统的金属箔。

21.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，其中，所述避雷导体(32)位于所述叶片的外表面处。

22.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机转子叶片，所述风力涡轮机转子叶片还包括纵梁，所述纵梁包括导电材料并且被定位成邻近所述转子叶片的尾缘，其中，所述纵梁电结合到所述避雷导体(32)。

23.一种制造风力涡轮机转子叶片(20)的制造方法，所述制造方法包括：

铺设风力涡轮机转子叶片的壳(40)，所述壳包括避雷导体(32)和至少一个非导电层(52)，其中，所述至少一个非导电层是不连续的以限定间隙(60)；

铺设翼梁帽(46)，使得所述避雷导体(32)在所述翼梁帽上面延伸，并且所述至少一个非导电层(52)位于所述避雷导体与所述翼梁帽之间，其中，所述翼梁帽包括导电材料；以及

设置等电位结合元件(58)，所述等电位结合元件延伸穿过所述非导电层中的所述间隙(60)以将所述避雷导体电结合到所述翼梁帽。

24.根据权利要求23所述的制造方法，其中，所述翼梁帽(46)包括导电材料层(80)的堆叠，并且所述方法还包括研磨所述层中的一个层的表面的一部分，以及将所述等电位结合元件(58)附接到所述层的经研磨的部分，使得所述等电位结合元件与所述翼梁帽的所述导电材料电接触。

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